设为首页 | 添加收藏 |sitemap |百度地图 |
货真价实 坦诚无欺
新闻资讯

奥林巴斯显微镜:CMOS图像传感器是什么?

2013-10-16  发布者:admin 

已经预示着一个新时代的到来,高分辨率固态成像设备,主要是电荷耦合器件(CCDs),互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器,光学显微镜,威胁到eclipse传统的图像记录技术,如电影视频管和光电倍增管。电荷耦合器件摄像机专为奥林巴斯显微镜应用系统所提供的众多原始设备和售后市场的制造商,CMOS成像传感器正在成为几显微镜

cmoschipsfigure1

这两种技术是20世纪70年代早期和晚期之间,但是CMOS传感器不可接受的性能,被普遍忽视或认为只是一种好奇心,直到20世纪90年代初。到那个时候,CMOS设计的进步产生更小的像素尺寸,降低了噪音,更强大的图像处理算法,更大的成像阵列芯片。享有的CMOS传感器的主要优点是:低功耗,主时钟,和单电压电源,CCD的不同,往往需要5个或5个以上的电源电压在不同的时钟速率与显着更高的功耗。两个CMOS和CCD芯片通过类似的机制,通过利用时,会发生光子与晶化的硅,以促进从价带电子到导带光电效应,光感请注意的是,术语“CMOS”指的是图像传感器的制造过程,其中,而不是一个特定的成像技术。

在很宽的波长频带的可见光入射特殊掺杂的硅半导体材料,可变数目的电子被释放比例入射的表面上的光电二极管的光子通量密度。实际上,产生的电子数照射半导体的光的波长和强度的函数。的电子被收集在一个潜在的直到周期结束的集成(照明),然后被转换成电压(CMOS处理器),或转移到一个计量寄存器(CCD传感器)。测得的电压或电荷(电压转换后),然后通过一个模拟-数字转换器,其中形成由传感器成像的场景的数字电子表示。

数字图像传感器的光电二极管,通常称为作为一个像素,是关键因素。灵敏度是由相结合的,可以由光电二极管累积的最大充电,耦合入射的光子到电子的转换效率和设备的能力,在狭窄的区域中积累的电荷不泄漏或溢出。这些因素通常是确定的物理尺寸和孔径的光电二极管,它的空间和电子到相邻的数组中的元素之间的关系。另一个重要因素是电荷-电压转换率,它决定如何有效地集成电子电荷被转换成电压信号,可以测量和处理。光电二极管通常组织在正交网格,可以为128×128像素(16万像素)的尺寸范围从一种较为常见的1280×1024(超过一百万像素)。一些最新的CMOS图像传感器,比如那些专为高清晰度电视(HDTV),包含数百万像素,组织成非常大的超过2000万像素的阵列。从构成各行的所有的像素阵列的每一列的信号,必须精确地检测和测量(读出),以组装来自光电二极管的电荷累积数据的图像。

在光学显微镜中,由物镜聚集的光被聚焦到传感器表面上的投影透镜包含一个两维数组的相同的光电二极管,称为图片元素像素因此,阵列的大小和像素尺寸确定传感器的空间分辨率。CMOS和CCD集成电路的固有的单色(黑白)的设备,只响应在光电二极管中积累的电子的总数,不释放,从硅衬底的光产生的颜色。无论是通过一系列连续的红色,绿色和蓝色过滤器的入射光通过,或与微型透明聚合物薄膜过滤器,可分别存放在像素阵列中的马赛克图案检测到彩色。

CMOS光电二极管的解剖

CMOS图像传感器CCD同行享受超过一项重大优势,就是整合能力了一些处理和控制功能,光子收集的首要任务在于超越,直接将传感器集成电路。这些功能一般包括时序逻辑,曝光控制,模拟到数字的转换,快门,白平衡,增益调整,和初始图像处理的算法。为了执行这些功能,CMOS集成电路结构更类似于一个随机存取存储器单元,而不是一个简单的光电二极管阵列。最流行 ​​的CMOS设计围绕有源像素传感器APS),而在该被纳入每个像素的光电二极管和读出放大器的技术。这使由光电二极管累积的电荷内的像素的放大后的电压被转换成在连续的行和列中,然后转移到该芯片的模拟信号处理部。

因此,每个像素(或成像元件)包含除了光电二极管,一个三元组,积累的电子的电荷转换成一个可测量的电压的晶体管,光电二极管复位,并将其传送到垂直的列总线的电压。结果数组包含一个光电二极管和相关的信号准备电路在每个路口的金属读数总线是一个有组织的棋盘。适用的总线的定时信号的光电二极管,并返回读出的信息返回到模拟解码和处理电路容纳相差的光电二极管阵列。这种设计使从阵列中的每个像素的信号读取简单的x,y寻址技术与目前的CCD技术,这是不可能的。

cmoschipsfigure2

用于集成电路的电路小片包含一个主动的640×480像素的图像区域,在图1中的体系结构的一个典型的CMOS图像传感器。的光电二极管阵列,位于在大芯片中心区的红褐色的红,绿,和蓝染色的聚合物过滤器,每个的大小,以适应在一个单独的光电二极管(在类似的方式由一个有序的薄层覆盖该技术利用彩色CCD)。过滤后的光电二极管,以集中到光电二极管的电子收集井的入射的光子,也被安置一个微型的正弯月形透镜(请参阅图2,图3,和4)的微透镜​​或透镜阵列被称为下方。图1中的插图显示的过滤器和微透镜阵列的高倍率视图。此外,在图1中示出的集成电路,收集和解释的光电二极管阵列所产生的信号的模拟信号处理电路。然后,这些信号被发送到模拟 - 数字转换电路,相邻芯片的上部(如在图1中示出)上的光电二极管阵列。在其他的CMOS图像传感器进行的职责是逐步电荷产生的时钟定时,电压采集,传输,和测量工作,以及图像处理和输出所积累的信号。

光电二极管阵列仔细看看揭示了连续图案的红色,绿色和蓝色的过滤器被安排在一个马赛克图案而得名柯达工程师布莱斯E.拜耳。此滤色器阵列(拜耳图案)过滤器是用来捕捉从广泛的带宽从到达的光学透镜系统的入射照明颜色信息。该过滤器被布置在连续的行中排列的一组四(图2(a)和图2(b))中,备用是红色,绿色或蓝色和绿色滤光器(图2(a))。图2给出了一个典型的拜耳滤光器阵列和相关的光电二极管的一个高分辨率的光学显微镜拍摄的数字图像。图2(a)示出了交替的过滤行。每个红色过滤器四周由四个绿色和蓝色的过滤器,而每一个蓝色的过滤器所包围四红,四绿滤波器。与此相反,各绿色滤色器被包围了四个绿色,红色,和两个蓝色滤光片的。在图2(b)中提出的基本重复单元的高放大倍率的图像,并包含一个红色,一个蓝色,绿色滤光器和两个,使得总数的绿色滤光器阵列中的红色和蓝色过滤器的数目等于相结合。重强调后,绿色滤光器,是由于人的视觉响应,达到最大的灵敏度的可见光谱在550纳米(绿)的波长区域。

也示于图2(b)是在微透镜阵列(也称为小透镜的一小部分,通过光刻法沉积拜耳过滤器的表面上,并对齐,使每个镜头覆盖一个单独的过滤器。微型透镜元件的形状接近的凸弯月形透镜,用于直接入射的光聚焦到感光面积的光电二极管。下方的拜耳过滤器和微透镜阵列的光电二极管本身,这是在图2(c)所示,四个完整的光电二极管组件或像素单元。图2中的光电二极管(c)在确定一个大的白色框(上右上角),还包含了较大的电网内的小矩形框。用字母PT分别是指光子收集(感光性)和支持的像素的晶体管区,白框确定

由于是显而易见的,从研究的光电二极管元件,图2(c)所示,大部分的像素区域(在本例中约70%)是专门为支持晶体管(放大器,复位和行选择),这是相对不透明的可见光光子和不能被利用为光子检测。其余30%(白色的小框中,然后在图2(c)中标记为P)代表的像素的感光部分。因为这样的光电二极管的一小部分实际上是能够吸收光子产生电荷,如图1,图2所示的CMOS芯片和光电二极管填充因子光圈,以及图3表示只有30%的总的光电二极管阵列的表面积。其后果是一个显着的损失,在灵敏度和信号-噪声比相应地减少,从而导致有限的动态范围。填充因子比从设备到设备而异,但在一般情况下,它们的范围为30〜80%,在CMOS传感器中的像素区域。

复合填充因子降低的问题,是依赖于波长的光子吸收性质,适当地简称为CMOS和CCD图像传感器量子效率的一个术语三种主要机制的运作,阻碍光子收集的感光面积:吸收,反射和传输。如上所述,光电二极管的面积的70%以上可被屏蔽由晶体管和堆叠或交错的金属总线线,这是不透光的,吸收或反射的入射的光子碰撞的结构的多数。在这些层叠的金属层也可导致渐晕,像素的串扰,光的散射和衍射等的不良影响。

cmoschipsfigure3

入射的光子的反射和透射波长的函数,发生高比例的被反射的波长较短(低于400纳米),虽然这些损失可以(在某些情况下)延续至可见光谱区域。许多CMOS传感器有一个黄色的聚酰亚胺涂层应用在制造过程中,吸收了显着的前部的蓝色光谱这些光子到达光电二极管区域。减少或尽量减少使用的多晶硅,聚酰亚胺或聚酰胺层,在优化这些图像传感器的量子效率是一个主要问题。

在第几微米的感光区域吸收波长较短,但更长的波长逐步向下钻取到更深处被完全吸收之前。此外,最长的可见光的波长(650纳米以上)通常通过在感光区域没有被捕获(或产生一个电子的电荷),导致光子损耗的另一个来源。虽然微透镜阵列的应用有助于集中和引导入射的光子到感光区域,可以增加一倍的光电二极管的灵敏度,这些微小的元素也展示出一种基于波长和入射角的选择性。

在图3显示的是一个典型的CMOS的有源传感器像素表示的感光面积(光电二极管),总线,微透镜,拜耳过滤器,和三个支撑晶体管的一个立体剖视图。如上所述,每个APS元件的CMOS图像传感器中,还包含一个放大器晶体管,它表示一般称为一个源极跟随器(源极跟随器外部的象素和共同所有的像素在一个负载的输入设备的列)。源极跟随器是一个简单的放大器,转换到列总线输出的电压是由光电二极管产生的电子(电荷)。此外,所述像素还具有复位晶体管的控制集成或光子的累积时间,和行选择晶体管连接的像素输出到列总线的读出。在特定列中的所有的像素都连接到读出放大器。

在操作中,图像捕获的第一步是初始化复位晶体管的漏电荷从感光区域和反向偏置的光电二极管。接着,积分周期开始,互动的像素的光电二极管区域的光产生的电子,它们被存储在硅趴在​​表面之下的势阱(参见图3)。当积分周期结束后,行选择晶体管被接通,在选择的像素到其负载,以形成源极跟随器放大晶体管连接。因此,在光电二极管中的电子的电荷转换成电压,通过源极跟随器操作。由此产生的电压出现在列总线,并可以检测到读出放大器。然后,这样的循环反复进行读出,以便产生一个图像传感器中的每一行。

三个像素的APS设计的主要缺点之一是比较高的水平,固定模式噪声FPN被称为神器晶体管放大器的增益和偏移量,这是一个根本性的问题,CMOS技术在制造过程中的工艺波动的变化,生产晶体管的输出性能在整个阵列中的不匹配。其结果是在所拍摄图像中明显的噪声图案,是恒定的和可重复的从一个图像到另一个。固定模式噪声在大多数情况下,可以显着减少或消除通过位于阵列周边或通过电子减去较暗的图像平场校正的模拟信号处理电路的设计调谐。

马赛克过滤器阵列和图像重建

两倍的不均衡性,拜耳过滤马赛克阵列,许多蓝色或红色,绿色过滤器,也会出现个别像素精确的色彩再现方面出现问题。拜耳过滤器的构造中使用的常见染料的典型的传输光谱,如图4所示。红色过滤器的量子效率是显着大于绿色和蓝色的过滤器,它们靠近彼此整体效率。注意过滤器之间的光谱重叠度比较大,尤其是在520至620纳米(绿色,黄色和橙色)区域。

cmoschipsfigure4

一个问题经常出现的色彩再现和空间分辨率拜耳过滤器模式的基本要素分为像素的光电二极管阵列的确切性质。像素尺寸为640×480像素的光电二极管阵列包含总数为307,200像素,从而产生76,800拜耳四重奏。这是否意味着,实际有用的图像空间分辨率降低到320×240像素?幸运的是,空间分辨率主要取决于彩色图像的亮度分量和色度(颜色)成分。这是因为人类的大脑使粗糙的颜色信息被添加到精细的空间信息,并集成了两个几乎无缝。此外,拜耳滤波器有宽的波长的传输频带(参见图4),具有大的重叠区域,它允许从其他光谱区域的空间信息,通过使每种颜色的过滤器具有相当程度的空间信息。

例如,考虑一个对象,该对象反映到透镜系统的一个显着量的黄色光(在585纳米为中心)的CMOS数字相机。通过检查拜耳滤波器的透射光谱在图4中,很明显,在该波长区域的红色和绿色的过滤器相同的光量传输。此外,蓝色的过滤器也发送其他的过滤器通过的波长的20%左右。因此,三四个拜耳过滤器在每个四重奏通过等量的黄灯,而第四个(蓝色)过滤器还可以发送一些光。与此相反,较低的波长的蓝光(435纳米;参见图4)通过仅通过蓝色滤光片的任何显着的程度,降低的敏感性和为主要成分的光的可见光谱在这个区域的图像的空间分辨率。

从CMOS光电二极管阵列由Bayer模式的滤色器覆盖已获得原始图像后,必须将其转换成标准的红,绿,蓝色(RGB)的格式,通过插值方法。这个重要的步骤是必要的,以便产生准确地表示由电子传感器成像的场景的图像。各种先进和完善的图像处理算法可用来执行这个任务(直接拍摄图像后对集成电路),包括最近的邻居线性三次三次样条技术。为了确定正确的颜色阵列中的每个像素中,算法选择的相邻像素的平均颜色值,并产生阵列中的每个像素的颜色(色度)和强度(亮度)的估计值。在图5(a)是通过内插前的图像重建原始的Bayer模式,在图5(b)所示,与相 ​​关的调整后的版本的线性插值算法的处理后得到的结果。

cmoschipsfigure5

颜色插值函数作为一个例子,考虑一个嵌套在拜耳(Bayer)滤光器阵列的中央区域的绿色像素。像素周围是由两个蓝色,红色,和四个绿色像素,这是其直接的近邻。插值算法产生的估计值的绿色像素的红色和蓝色的值,通过检查相邻的红色和蓝色的像素的色度 ​​值和亮度值。重复同样的程序是在阵列中的每个像素。该技术生产出优异的成绩,图像颜色的变化,慢慢地在一个大的像素数,但也受到来自文物,如锯齿边缘和边界地区发生大型彩色和/或强度转换。

为了提高量子效率和光谱响应,一些CMOS设计者正在转向使用彩色滤光器阵列的基础上的主减色:青色,黄色和品红色(CMY),而不是标准的加色原色红,绿,和蓝色(RGB)进行了讨论。在使用CMY滤波器阵列的优点是敏感性增加,从而提高光传输通过过滤器,更强的信号。这是因为减色滤光染料显示一个相应的添加剂过滤器时相比,降低在可见光区吸收光波。与此相反,以红色,绿色,和蓝色的过滤器,它们中的两个或两个以上的层的复合材料生产的添加剂吸收,CMY过滤器被应用在一个单独的层,其具有优异的光传输特性。CMY过滤器的缺点是一个更复杂的色彩校正矩阵,需要转换成CMY是必要的,以打印或显示在计算机显示器上的图像的RGB值从传感器收集到的数据。这些算法的结果,在生产过程中的额外的噪声颜色转换,但与CMY滤波器阵列获得增强的灵敏度常常可以抵消在图像处理过程中所遇到的问题。

噪声的来源和补救措施

CMOS图像传感器的一个主要问题是高程度的噪音,检查这些设备所产生的图像时变得显而易见。小心旁边的图像阵列,这大大挫伤了许多噪声源和CMOS性能显着改善的信号处理电路集成在传感器技术的进步已启用。然而,其他类型的噪声常常困扰着设计者和最终用户。如上所述,固定模式噪声实际上消除了由现代CMOS收购后的信号处理技术,但其他形式,如光子散粒噪声,暗电流,复位噪声和热噪声,不那么容易处理。

在初始化过程中或复位光电二极管,复位晶体管被称为KTC噪声(或复位),一个大的噪声分量,产生的是难以去除,不增强的电路设计。的缩写K是玻尔兹曼常数,而T是操作温度和Ç是出现在晶体管放大器的输入节点,在光电二极管的电容和放大晶体管的输入电容的总和组成的总电容。复位噪声严重限制的信号噪声比的图像传感器。两个复位和其他噪声源,通常被称为放大器的1 / f的低频噪声,可控制的已知的技术,必须通过加入“测量”的第四实施相关双采样CDS)(或传输)晶体管每一个像素。双采样算法功能单独测量复位或放大器的噪声,然后减去组合图像信号的加复位噪声。

光子散粒噪声是显而易见的,在拍摄的图像的随机图案,由于照明量的统计波动的发生是由于在输出信号中的时间的变化。阵列中的每个光电二极管产生光子散粒噪声,在极端的CMOS图像传感器的性能可能会严重影响一个稍微不同的水平。这种类型的噪声远大于内在的本底噪声的传感器的信号噪声的主要来源,并在每一个图像传感器,包括CCD的存在。由工件产生的信号电荷(电子)的情况下的照明,并且可以表现出显着的波动程度,从像素到像素的暗电流的产生,这是极大地依赖于操作条件。这种类型的噪声是温度敏感的,并且可以被删除,通过冷却所述图像传感器,或通过一个附加的帧存储,它被放置在随机存取存储器中,从所捕获的图像中减去。

暗电流消除几乎是不可能的,但可以减少通过利用固定的光电二极管技术CMOS传感器的制造过程中。要创建一个钉扎光电二极管的像素,一个浅的P -型硅被施加到表面的一个典型的N -阱的光感应区域,以产生一个双结夹心改变的可见光的光谱响应的像素。表面交界处优化的响应较低的波长(蓝色),而较深的接面是更敏感的较长的波长(红光和红外光)。其结果是,电子的电位以及密闭的N区域附近,远离表面,这会导致降低暗电流和其相关联的噪声元素。在实践中,它可以是困难的构造被钉扎光电二极管的像素,在低电压的CMOS传感器的操作环境下,产生一个完整的复位。如果还没有实现一个完整的复位条件,滞后可以引入到阵列中在复位晶体管噪声,并相应增加。钉扎光电二极管技术的其他好处是改善由于增强型捕捉的P -硅层的界面附近的短波长的可见光辐射的蓝色响应

的晶体管,电容器和总线交织产生的感光区域的像素负责诱导在CMOS图像传感器中的热噪声。通过微调成像器带宽可以减小这种类型的噪音,增加输出电流,或冷却的照相机系统。在许多情况下,的CMOS像素读出的序列可以被用来降低热噪声,限制每个晶体管放大器的带宽。加复杂和昂贵的珀尔帖或类似的冷却装置的廉价的CMOS图像传感器,这是不实际的,所以这些设备一般不使用,以降低噪声。

CMOS像素架构

有两种基本的感光像素元素的硬件架构的现代CMOS图像传感器中使用的:光电二极管photogates(参见图6)。在一般情况下,对可见光敏感的光电二极管设计,特别是在短波长(蓝色)的光谱区。Photogate设备通常有较大的像素区域,但较低的填充因子和蓝色的光响应穷得多(一般量子效率)比光电二极管。然而,往往photogates达到更高的电荷-电压转换增益水平,可以很容易地被用来执行相关双采样,以实现帧差分。

cmoschipsfigure6

Photogate有源像素传感器利用CCD技术,以减少噪音和CMOS图像传感器捕获的图像质量提升的几个方面。充电期间积累下的photogate整合本地化的一个潜在的很好的控制存取晶体管。在读出过程中,支持的像素电路执行一个两阶段的电荷转移(作为电压)到输出总线。第一步转换成可测量的电压放大器晶体管所积累的电荷发生。接着,对传输门脉冲来启动收费运输从感光区域的输出晶体管,然后被传递到列总线上。这种传输技术允许两个信号的采样,可以利用的机会,通过高效的设计,以提高降噪。第一次采样的像素输出的光电二极管复位后,再次积分后的信号电荷。从第二减去第一信号,以除去低频率的复位噪声,photogate有源像素结构,可以执行相关双采样。

一个主要的好处的photogate设计降低噪音的功能,操作时,在光线较暗的水平相比,光电二极管传感器。基于光电二极管的CMOS传感器是有用的性能中级消费类应用,具有低噪音,卓越的动态范围,以及高度解决的颜色特性不要​​求高度精确的图像。这两款器件利用对经济的功率要求,可以得到满意的电池,低电压电源从计算机接口(USB和火线),或其他直流电源。通常情况下,范围从3.3伏和5.0伏的电压要求的CMOS处理器,但较新的设计迁移到值减少一半。

CMOS图像传感器的操作顺序

在大多数CMOS光电二极管阵列的设计中,有源像素区域所包围的区域的光屏蔽的像素,布置在8至12行和列,这是利用在黑电平补偿。拜耳(或CMY)的滤色器阵列在第一个非屏蔽的行和列的左上角的像素开始。每个积分周期开始时,在同一行中的所有的像素将被复位的板载定时和控制电路,一排在一时间,遍历从第一到编目的行地址寄存器的最后一行(见图7)。使用模拟输出的传感器装置,当集成已经完成,在相同的控制电路将转移到一个相关双采样电路(CDS在图7中的块)的每个像素的积分值,然后水平移位寄存器。移位寄存器已被加载后,将被串行移位的像素信息(在一个时间的一个像素)的模拟视频放大器。这种放大器的增益控制,可以通过硬件或软件(以及在某些情况下,这两者的组合)。与此相反,CMOS图像传感器与数字读出器利用一个模拟-数字转换器的每一列中,在一排的每个像素转换并行进行。然后,采用具有完成转换的比特的数量的宽度等于一个数字总线输出数据。在这种情况下,只有数字的值是“串联”移。白平衡算法经常应用在这一阶段的像素。

后,增益和偏移值被设置在视频放大器(在图7中标记为视频放大器)的像素信息,然后传递到模拟到数字的转换器,其中呈现的二进制数字的数字阵列成线性。随后,数字像素数据被进一步处理以去除缺陷发生在“坏”的像素的黑电平补偿前框上的数字输出端口。黑电平补偿算法(通常简称为帧速率钳位)减去周围的阵列的数字视频输出,以补偿温度和随时间变化的暗噪声水平在有源像素阵列的黑色像素的平均信号电平。

序列中的下一个步骤是图像恢复(参见图7)和应用程序需要编写最后的图像显示编码的基本算法。最近邻插值的像素上执行,然后将其过滤,抗混叠的算法和缩放。回收引擎的附加的图像处理中的步骤通常包括抗晕影,空间失真校正,白色和黑色平衡,平滑,锐化,色彩平衡,光圈校正,伽马调整。在某些情况下,CMOS图像传感器配备辅助电路,使芯片上的功能,如抗抖动(图像稳定)和图像压缩。当图像已被充分地处理,它被发送到一个数字信号处理器,用于缓冲的输出端口。

cmoschipsfigure7

由于CMOS图像传感器能够访问在整个光电二极管阵列的各个像素数据,它们可以被用来选择性地读取和处理仅由选定的部分的像素为特定的图像捕获。这种技术被称为窗口(或窗口中的感兴趣的读出),并显着地扩大了与这些传感器的图像处理的可能性。窗口化控制,直接在芯片上,通过定时和控制电路,它能使任何尺寸的窗口,在有效区域内的任何位置进行访问和显示与一对一个像素分辨率的阵列。这个功能是非常有用的,当一个对象在一个次区域的图像是必要的时空运动跟踪。它也可以使用电子锅,变焦,读出速度加快,对选定的部分或整个图像的倾斜操作,芯片上的控制。

大部分配备了多种高端CMOS传感器读出模式(类似那些在CCD传感器),以增加通用性软件接口编程和模板。 逐行扫描读出模式使每一行中每一个像素的光电二极管阵列内连续访问(一次一个像素)与上左上角开始和进展,以较低的右上角。另一种流行的读出模式被称为隔行扫描,并通过读取在两个连续场,其次是一个奇数场一个偶数场的象素数据进行操作交替行的阵列的顶部至底部的字段,每一行的一组记录,可依次被读取之前的下一个组。作为一个例子,在一个传感器,其具有40个像素行中,第一,第三,第五等下降到第39行首先被读取,其次是第二,第四,第六,下降到第40行。

在CMOS图像传感器中的电子快门需要添加的一个或多个晶体管,每个像素中,有点不实用的方法,考虑到已经受损的填充因子在大多数设备。这是对于大多数面扫描的图像传感器的情况下。然而,已经开发了线扫描传感器,快门晶体管放在相邻的像素的有源区,以减少填充因数的负载。许多设计师已经实施了不均匀滚动快门的解决方案,公开顺序排在数组中的不同的时间间隔,利用最少的像素晶体管。虽然卷帘机制运作良好的静止图像,它们可以产生运动模糊,导致扭曲的图像高帧速率。为了解决这个问题,工程师们已经制作了统一的同步快门的设计,使整个阵列一次。因为这种方法需要在每个像素的额外的晶体管,有一些妥协更大的像素的填充因子比,除非被同时实施。

的最大数量的信号累积的电子通过光电二极管(充电容量)除以所有组成部分的传感器读出噪声(本底噪声的总和,包括时间所产生的噪声源,在特定的集成的CMOS图像传感器的动态范围是由时间。所有暗噪声源,如暗电流噪声,以及像素读出噪声,时间和噪音从信号路径(但不是光子散粒噪声),所产生的贡献,包括在这个计算中。本底噪声限制在图像的暗区的图像质量,并随暴露时间的增加,由于暗电流的散粒噪声。的效果,因此,动态范围最大到最小的同时可检测的信号(本底噪声)的检测信号的比率。经常报道的动态范围是在灰度级分贝,比例较高的信号电子的噪声,产生更大的动态范围的值(分贝或位)。注意,动态范围是由传感器的信号对噪声特性,而位深度的函数的传感器中采用的模拟-数字转换器(次)。因此,一个12位的数字转换对应于略超过4000个灰度级(72分贝),而10位的数字化可以解决1000个灰度级,具有适当的比特深度为60分贝的动态范围。由于传感器的动态范围增加时,能够同时记录的图像(动态范围intrascene)在最暗和亮的强度得以改善,因为定量测量功能的探测器。interscene的动态范围表示的频谱的强度时,可以容纳不同的视场的检测器增益,积分时间,镜头的光圈,和其他变量作相应调整。

其中最多才多艺的CMOS图像传感器的能力是他们的能力在非常高的帧速率捕捉图像。这使记录时间推移序列,通过软件控制的接口的实时视频。每秒30和60帧之间的价格是常见的,而一些高速成像器,可实现加速率超过​​1000。额外的支持电路,包括协处理器和外部随机存取记忆体是必要的,以生产相机系统,可以利用这些功能。

结论

CMOS图像传感器制造既定的标准硅工艺的高容量晶片厂也生产相关的芯片,如微处理器,存储器电路,微控制器和数字信号处理器。的巨大优点是,数字逻辑电路,时钟驱动器,计数器和模拟 - 数字转换器可放置在相同的硅的基础上,在同一时间的光电二极管阵列。这使得参与过程中收缩移动到更小的线宽以最小的重新设计,在类似的方式对其他集成电路的CMOS传感器。即便如此,为了保证具有高性能的低噪声器件,是标准的CMOS制造工艺通常必须进行修改,具体容纳图像传感器。例如,创建逻辑芯片中的晶体管路口的标准CMOS技术应用于成像装置时,可能会产生较高的暗电流和低蓝色响应。优化图像传感器的过程往往涉及权衡呈现常见的CMOS器件制造的情况下,不可靠的。

继续萎缩,在过去的几年中,从10-20微米巨头像素统治的20世纪90年代中期的设备,目前市场淹没6-8微米传感器像素大小。微型电子成像设备,如监控和电话摄像头,更大的需求促使设计者进一步下降像素大小。正在利用4-5微米像素的图像传感器,具有较小的阵列设备,但多万像素的芯片将要求在3至4微米范围内的像素大小。为了实现这些尺寸,CMOS图像传感器必须在0.25微米或更窄的组装线。通过使用窄的线宽,更多的晶体管可以被打包到每个像素的元件,同时维持可接受的填充因子设置,缩放比例因子的方法的统一。与0.13至0.25微米的生产线,先进的技术,如在像素的模拟 - 数字转换器,全彩色的处理,接口逻辑,及其他相关的调整,以增加柔韧性和动态范围的CMOS传感器的复杂的电路应该成为可能。

虽然许多CMOS制造工厂缺乏加入彩色滤光片,微透镜阵列的工艺步骤,这些步骤正在越来越多地实现图像传感器生产,随着市场需求的增长。此外,光学封装技术,这是至关重要的成像设备,需要干净的房间和平板玻璃处理设备,通常不会在标准逻辑和处理器集成电路制造的工厂。因此,可以显着提升图像传感器的制造成本。

CMOS图像传感器的应用程序列表在过去几年显着增长。20世纪90年代后期以来,CMOS传感器已经越来越多的应用,如传真机,扫描仪,安全摄像机,玩具,游戏,PC摄像头和低端消费相机的成像设备销售入账。多才多艺的传感器也可能会开始出现在手机,条码阅读器,光电鼠标,汽车,家用电器甚至在未来几年。由于连续的影像捕捉能力,在高帧速率,CMOS传感器正越来越多地用于工业检测,武器系统,流体动力学,和医疗诊断。虽然不是有望取代在大多数高端应用的CCD,CMOS图像传感器随着技术的进步,应该继续寻找新的家园。